DE2110176B2 - Halbleiterdiode mit einer metallschicht, die mit der einen im wesentlichen ebenen oberflaeche eines silicium- halbleiterkoerpers eine schottky-sperrschicht bildet - Google Patents
Halbleiterdiode mit einer metallschicht, die mit der einen im wesentlichen ebenen oberflaeche eines silicium- halbleiterkoerpers eine schottky-sperrschicht bildetInfo
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Description
35
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterdiode der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher beleichneten
Art. Eine derartige Diode ist bekannt (USA-Zeitschrift »Proceeding of the IEEE«, Band 57,
November 1969, S. 2088 bis 2089).
Die für Mikrowellengeneratoren und Schnellschalter mit Schakzeiten in der Größenordnung von \0~['
b'\s 10~12s geeigneten bekannten Schottky-Sperr·
tchichtdioden neigen infolge von hohen Randfeld-Harken
an der Schottky-Sperrschicht schon bei verhältnismäßig geringen Sperrspannungen zu Lawincn-Öurchbrüchen.
Zur Verringerung der Randfeldstärke derartiger Dioden ist es bereits bekannt (USA-Zeit-Schriften
»The Bell System Technical Journal«, Band 47, Heft 2, Februar 1968, S. 195 bis 208, und »Jourlial
of Electrochemical Society«, Band 116, Februar 19<;0, S. 276 bis 278), die Mantelfläche der Diode
tumindest im Bereich der Schottky-Sperrschicht kegelförmig mit einem Neigungswinkel von mehr als
00° auszubilden sowie auf der kegelförmigen Mantelfläche
einen Schirmring aus halbierendem oder isolierendem Material aufzubringen. Infolge des Schirmringes
vergrößert sich jedoch die Ranukapazität der Schottky-Sperrschichtdiode, wodurch die maximal
übertragbare (Grenz-)Frequenz absinkt. Bei der Diode nach der letztgenannten Literaturstelle steht
die sperrschichtbildende Metallschicht über den Rand des Halbleiterkörper hervor und bedeckt daher noch
zum Teil den Schirmring. Diese Maßnahme hat jedoch keinen Einfluß auf die Randfeldstärke der
Diode, sondern dient lediglich zur Erleichterung der technisch und wirtschaftlich verhältnismäßig aufwendigen
Herstellung derartiger Schirmringe.
In ähnlicher Weise wie bei Schottky-Sperrschichtdioden ist es auch bei Halbleitergleichrichtern für
Leistungen bis zu 1 kW bekannt (DT-OS 14 89 043), die Seitenkanten des Halbleiterkörpers anzuschrägen
sowie die eine, mit der kleineren Stirnfläche verbundene Elektrode über die Begrenzungskante dieser
Stirnfläche hinausstehend auszubilden und zwischen dem überstehenden Teil dieser Elektrode und der
kegelförmigen Mantelfläche des Halbleiterkörpers einen Schirmring aus Isoliermaterial mit hoher Dielektrizitätskonstante
anzuordnen. Der innerhalb des Halbleitermaterials gemessene Neigungswinkel der Seitenkanten gegenüber der kleineren Stirnfläche ist
auch dort größer als 90°, so daß die Kanten der überstehenden Elektrode etwa mit dem Rand der
größeren Stirnfläche fluchten.
Zur Vermeidung eines Schirmringes und der damit verbundenen Randkapazitätserhöhung bei einer
Schottky-Sperrschichtdiode ist es aus der eingangs bereits erwähnten Literaturstelle »Proceeding of the
IEEE« bekannt, die Mantelfläche der Diode in der entgegengesetzten Richtung, d. h., mit einem Neigungswinkel
von weniger als 90S anzuschrägen. Hierdurch verschlechtert sich jedoch wieder die Spannungsfestigkeit
der Diode. Zwar ist bei der bekannten Diode auf der sperrschichibildenden Metallschicht
und der darüberliegenden Metallelektrodenschiclu eine weitere, wesentlich dickere Metallschicht vorgesehen,
die über die genannten Schichten übersteht; indessen vermag diese Maßnahme die Randfeklstärke
der Schottky-Sperrschicht zwischen der sperrschichtbildenden Metallschicht und dem darunterliegenden
Halbleitermaterial nicht zu beeinflussen, sondern dient zu Kühlzwecken.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Halbleiterdiode der eingangs erwähnten Art zu
schaffen, die unter Vermeidung eines Schirmringes und der damit bedingten erhöhten Randkapazität
bzw. verringerten Grenzfrequenz eine der Durchbruchspannung von Schottky-Sperrschichtdioden mit
Schirmring vergleichbare hohe Durchbruchspannune besitzt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale
gelöst.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Diode nach Anspruch 1 ist in dem Anspruch 2 gekennzeichnet.
Die Vereinigung der erfindungsgemäßen Merkmalt führt zu der angestrebten Wirkung, daß sowohl die
Randfeldstücke als auch die Randkapazität im Be reich der spannungmäßig am stärksten beanspruchter
Zone, der Schottky-Sperrschicht, verringert ist. Hier durch besitzt die erfindungsgemäße Diode sowoh
eine hohe Sperrspannung als auch eine hohe Grenz frequenz. Ferner ist infolge des Wegfalls eine
Schirmringes eine einfachere Herstellung der crfin dungsgemäßen Diode möglich. Der Grund für dl·
genannte Wirkung besteht darin, daß eine Anhäiifuni
elektrischer Ladungsträger in dem Bereich de Schottky-Sperrschicht vermieden wird, so daß da
elektrische Randfcld der crfmdungsgemitßen Halb
leiterdiode homogen ist.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand de Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Schottky Sperrschichtdiode,
F i g. 2 einen Querschnitt durch ein Zwischenprodukt der in F i g. 1 dargestellten Schottky-Sperrschichtdiode,
Fig. 3 einen Querschnitt durch .ine weitere
Schottky-Sperrschichtdiode,
F i g. 4 einen Querschnitt durch ein Zwischenprodukt der in F i g. 3 dargestellten Schottky-Spen schichtdiode,
Fig. 5 einen Querschnitt durch die Ecke einer SchoUky-Sperrschichtdiode,
F i g. 6 einen Querschnitt durch die Ecke einer bekannten Schottky-Sperrschichtdiode und
F i g. 7 ein Diagramm mit dem bevorzugten Bereich der in Verbindung mit der Schottky-Sperrschichtdiode
nach Fig. 5 zu verwendenden Parameter.
Fig. 1 zeigt eine Schottky-SperrschichHiode 10
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Bauelement 10 umfaßt einen Halbleiterkörper
11, ein ^-leitendes Silicium-Halbleitersubstrat 11.1 und eine epitaxial aufgewachsene N-leitende
Zone 11.2. Das Zeichen »N« bedeutet eine mäßige elektrische Leitfähigkeit, während das Zeichen
»N' « eine Leitfähigkeit bedeutet, welche größer als die mit »N« bezeichnete Leitfähigkeit ist. Ein
dem Halbleitersubstrat 11.1 zugeordneter ohmscher Kontakt wird durch eine Metallschicht 12 gebildet,
die beispielsweise aus einer kreisförmig angeordneten Chrom-Gold-Legierung besteht und einen ohmschen
Kontakt mit der unteren, größeren Oberfläche des Halbleiterkörpers 11 bildet. Eine weitere Metallschicht
13 bildet einen Schottky-Sperrschicht-Kontakt mit der N-leitenden Zone 11.2. Beispielsweise
besteht die Metallschicht 13 aus einer kreisförmig angeordneten Schicht aus Platin oder Platinsilicid,
die in Berührung mit der N-leitenden Zone 11.2 parallel
zu der Bodenfläche des Halbleiterkörper 11
angeordnet ist. Der Durchmesser der Metallschichten 12 und 13 liegt beispielsweise in einem Bereich
zwischen etwa 0.08 bis 0,15 mm, wogegen die Dicke des Halbleiterkörper 11 in einem Bereich zwischen
etwa 0.003 und 0,05 mm liegt. An den Mctallschichtcn 12 und 13 sind Anschlußdrähte 14 bzw. 15 zur
Verbindung der Schottky-Sperrschichtdiode mit einem äußeren Stromkreis angebracht. Die Mantelfläche 21
des Halbleiterkörpers 11 ist in vorteilhafter Weise mit einer Isolierschicht aus Siliciumoxid versehen,
um den Halbleiterkörper U zu passivieren und der überstehenden Metallschicht 13 im Bedarfsfalle
mechanische Stabilität zu verleihen.
Die Metallschicht 13 ist flach ausgebildet, so daß der in Berührung mit der N-leitcnden Zone 11.2
stehende Oberflächenabschnitt 13.2 und der überstehende Flächenabschnitt 13.1 eine Ebene bilden.
Es ist wichtig, daß der Neigungswinkel \ zwischen der Kante des Halbleiterkörper 11 und der von der Metallschicht
13 gebildeten Ebene um wenigstens einige Grad geringer als 90J ist. während die Metallschicht
13 selbst durchwegs über den Oberflächenrand des H;ilblei(crkürpers 11 vorstehen soll. Die Lange die
ses Überstandes /. ist mehrfach breiter als die Debye-Längc
des Halbleiterkörpers 11, welches für Silicium in Abhängigkeit von der Dotierungskonzentration in
einem Bereich zwischen 10~Γι und 10"1Cm liegt. Die
Länge des Überhangs /. kann ferner anstalt nach der Dcbye-Länge des Halbleiterkörpers 11 nach der
Dicke der bei maximaler Betriebsspannung des Bau-10 auftretenden Verarmungsrandschicht,
auch Verarmungszonentiefe oder Umkehrschicht-Tiefe genannt, in der N-leitenden Zone 11.2 bemessen
werden, sofern der Betrag dieses Parameters größer ist als der der Debye-Länge. In diesem Fall
ist die Länge des Überhangs L ebenfalls wenigstens einige Male größer als die maximale Dicke der Verarmungsschicht.
Weiterhin hängt für einen gegebenen Neigungswinkel a zwischen der Außenkante der N-leitenden
Zone 11.2 und der Metallschicht 13 der Winkel zwischen
der Bodenfläche des Substrates 11.1 und der Metallschicht 12 von dem verwendeten Herstellungsverfahren
ab. Dieser letztgenannte Winkel ist in Fig. 1 für den Fall angegeben, daß zur Herstellung
des Bauelementes 10 eine isotrope Ätzlösung verwendet wird.
F i g. 3 zeigt eine Schottky-Sperrschichtdiode, die nach einem solchen kristallographischen Ätzverfahren
hergestellt ist. Die Metallschichten 12 und 13 des Bauelementes entsprechen dabei in ihrer Beschaffenheit
den Metallschichten 12 und 13 des Bauelementes 10 nach Fig. 1. Die Metallschicht 12 bildet daher
einen ohmschen Kontakt mit dem N -leitenden Substrat 11.1, während die Metallschicht 13 eine
Schottky-Sperrschicht mit der N-leitenden Epitaxialzone 11.2 bildet. Ferner sind in gleicher Weise wie
bei dem Bauelement 10 Anschlußdrähte 14 und 15 an den Metallschichten 12 und 13 zur Verbindung
des Bauelementes mit einem äußeren Stromkreis angebracht. In vorteilhafter Weise p'issiviert eine
Isolierschicht 16 aus Siliciumoxid an der Mantelfläche 21 des Halbleiterkörpers 11 das Bauelement
und verleiht dem Überhang L der Metallschicht 13 im Bedarfsfalle eine mechanische Auflagerung.
Die Metallschicht 13 ist flach ausgebildet, so daß der in Berührung mit der N-leitenden Zone 11.2
stehende Oberflächenanschnitt 13.2 und der überstehende Oberflächenabschnitt 13.1 eine Ebene bilden.
Bei dieser Ausführungsform ist es wichtig, daß der Neigungswinkel \ zwischen der Kante des Halbleiterkörper
11 und der Metallschicht 13 geringer als ein rechter Winkel ist, während die Metallschicht 13
selbst die obere, größere Fläche des Halbleiterkörper 11 überdeckt. Die Länge des Überhangs L ist in
bevorzugter Weise zumindest ebenso groß wie die Länge des Überhangs L des Bauelementes 10 nach
Fig. 1. Der Neigungswinkel λ beträgt 54,7° für die
in Fic 3 angedeutete (110)-Orientierung des Halbleiterkörpers
11. Mit Ausnahme des Wertes für den Neigungswinkel λ und der Tatsache, daß die Seitenfläche
21 des Bauelementes 10 (infolge der Verwendung einer isotropen Ätzlösung) gekrümmt ist, entspricht
das Bauelement nach F i g. 3 dem Bauelement 10 nach Fig. 1. Infolge der Krümmung;- und Kreissymmetrie
der Mantelfläche 21 in Fig. 1 (im Gegensatz zu der geraden Ausrichtung der Mantelfläche 21
in Fi g. 3) weisen die Metallschichten 13 einen etwas unterschiedlichen Querschnitt auf. Ferner besitzt die
Metallschicht 12 in Fig. 2 keine Unterschneidung.
Die Schottky-Diode nach Fig. 2 weis! daher für gcuebenc
Querschnitte der Schottky-Sperrschicht einen größeren ohmschen Kontaktbereich der Metallschicht
12 als die gemäß Fig. 1 auf, so daß sie geringere
ühmsche Verluste besitzt.
F i g. 5 zeigt einen Querschnitt durch die Ecke einer Schottky-Sperrschichtdiode. Ein Halbleiterkörper
11 gren/t an eine Isolierschicht 18 sowie an einen SchoUky-Spcrrschichtkontnkt 13. Das Ver-
hältnis /, der Dielektrizitätskonstanten i,t der Isolierschicht
18 /u der Dielektrizitätskonstanten.·, des
Halbleiterkörpers 11 stellt einen wichtigen Parameter dar; und zwar beziehen sich die Größen.·, und ,·,
auch auf die Dielektrizitätskonstanten der Oxidschicht 16 sowie der N-lcitendcn Halbleiterzone 11.2.
In Fig. 5 ist der Neigungswinkel zwischen der Kante des Halbleiterkörpers 11 und der Metallschicht
13 mit λ bezeichnet, während der Neigungswinkel der Metallschicht 13 selbst mit /i bezeichnet ist. Für
jeden Überhang der Metallschicht 13 gegenüber dem Halbleiterkörper 11 ist der Winkel/i ein stumpfer
Winkel; für eine vollständig flache Metallschicht 13 ist der Winkel /! gleich 180 '. Bei bekannten Schoitky-Sperrschichtdioden
sind der Halbleiterkörpern, die Metallschicht 13 und die Isolierschicht 18 gewöhnlich
so angeordnet, daß der Winkel λ gleich 1X0' ist, wogegen der Winkel /Ί gleich Null ist (Fi g. 6).
Fi g. 7 zeigt ein Diagramm der berechneten Werte
von λ für gegebenes /1 und rh wobei das elektrische
Feld in dem Halbleiterkörper 11 nahe der Metallschicht 13 homogen ist. Die verschiedenen Kurven in
dem dargestellten Diagramm werden mittels einer Berechnung elektrischer Felder in dem Halbleiterkörpern
in Abhängigkeit von einer an die Metallschicht 13 angelegten Spannung erhalten. Diese Kurven
grenzen die inhomogenen von den homogener Fällen des elektrischen Randfeldes in dem Halbleiterkörper
Il zwischen dem Halbleiterkörper 11 und tlei
Metallschicht 13 ab. d.h., an der Stelle, an der dii
Winkel \ und ,; gemäß F i g. 5 definiert sind. Um der
homogenen Wertcrereich von \ für gegebene Werti von // und >, zu bestimmen, ist eine vertikale Linie 6(
parallel zu der \-,\chse bei dem gegebenen Wert vor i'i gezeichnet. Für Darstellungszwecke ist der gege·
ίο bene Wert von », zu 0,1 gewählt, was einer KiHv1
61 gemäß Fig. 7 entspricht. Die vertikale Linie 6( schneidet die Kurve 61 entsprechend dem gegebener
Wert von η in zwei Punkten 62 und 63 entsprechend
\t und λ.,. Der Wcrlcbercich von λ zwischen v, um
V1 ergibt homogene elektrische Felder in dem Halb
leiterkörper 11. Für die meisten Halbleiterbau elemente von praktischem Wert ist gemäß Γ- i g. 7 de
Wert von >, kleiner als 1. Für alle Werte von (/ klei
ner als 1 sowie für ß~n geben alle Werte kleiner al
.7 2 (größer als Null) homogene elektrische Felder it dem Halbleiterkörper 11. In Fällen bei denen dii
vertikale Linie 60 nicht die Kurve für einen gegebe nen Wert von η schneidet, gibt es (für gegeben«
Werte von ,; und I1) keinen Wi*rt für λ, für welchei
das elektrische Feld in dem Halbleiterkörpern in Bereich der Metallschicht 13 homogen ist.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Halbleiterdiode mit einer metallschicht, die
mit der einen im wesentlichen ebenen Oberfläche eines Silicium-Halbleiterkörpers eine Schottky-Sperrschicht
bildet, wobei der innerhalb des Halbleiterkörpers gemessene Winkel zwischen einer
Seitenkante des Halbleiterkörpers und der Metallschicht um zumindest einige Grade Kleiner als
90° ist und die dem Halbleiterkörper abgewandte Metallschicht-Oberfläche frei von Halbleitermaterial
ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Metallschicht (13) über den Oberrlächenrand des Halbleiierkörpers um einen Längenbetrag
übersteht, welcher größer ist als der größere von zwei Werten, die durch die Debye-Länge des
Halbleiterkörpers (11) und die Verarmungszonen (Umkehrschicht)-Tiefe in dem Halbleiterkörper
während des Betriebes bestimmt sind, daß die der Metallschicht (13) entgegeneesetzte Oberfläche
des Halbleiterkörper (11.1) mit einet einen ohmschen Kontakt bildenden Metallschicht
(12) versehen ist und daß die Mantelfläche (21) des Halbleiterkörpers (11) mit einer Isolierschicht
(16) versehen ist.
2. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (U)
im wesentlichen aus cinkristallinem Silicium be steht.
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